De la pluie à l'eau souterraine. Apport du traçage naturel (ions majeurs, isotopes) à l'étude du fonctionnement des aquifères volcaniques. (Bassin d'Argnat, Auvergne, France)

Hydrogeological characteristics of the Chaîne des Puys are linked with its climatic, geological, morphological and environmental characteristics. These specifities constrain origin, quantity quality and flow of water in volcanic aquifers. As the chemical and isotopic signatures of water reflect processes occurring during the water cycle, their variations into and between the various compartments specifies the role of these factors. The subject of this thesis deals with the chemical (major ions) and isotopic (δ18O, δ2H, δ13C) characterization of different stages of the water cycle to define the operation of sub-volcanic aquifers of the Chaîne des Puys. In this perspective, this work focused on two themes: 1) the definition of the input signal of regional aquifers, a prerequisite to any hydrogeological study, and 2) studying the functioning of the Argnat catchment, located in the North of the Chaine des Puys. The study of the mechanisms of acquisition of the rain chemistry (Na+, K+, Mg2+, NH4+, Ca2+, Cl-, NO3-, SO42- , PO43-, HCO3-) based on its long-distance travel (rainout) and the influence of meteorological parameters on the local chemical input during rain (washout), shows that the majority of rain comes from the Atlantic and the Mediterranean Basin and is predominately influenced by terrigenous (Ca2+, HCO3-) and anthropogenic (NO3-,NH4+,SO42-) elements, often associated (neutralization process). The local influence on the chemistry is largely due to the terrigenous sediments from the basin of the Limagne, but soil moisture, wind direction and speed can promote recharge of cloud by anthropogenic aerosols from Clermont-Ferrand. The evolution of chemical (major ions) and isotopic (δ18O, δ2H, δ13C) parameters between the different compartments of the Argnat basin emphasizes the role of the unsaturated zone in the supply of the saturated zone in volcanic aquifers. Thus it appears that the scheme of a vertical circulation is not simple and that the behavior of the unsaturated zone is close to that of a perched aquifer. In this case, the existence of a perched aquifer can only be explained by superimposed circulations within the basalt flow which is heterogeneous in terms of physical characteristics and therefore the hydrodynamic. From 10 sampling points, the study of the transfer into the saturated zone from upstream to downstream, given the geological context and topography, allows estimate the relative contribution of supply from high and low altitudes. Those from low altitude significantly modify the water chemistry, particularly through chlorides and nitrates contributions. The interpretation of δ13C measurements associated with calculations of pCO2 confirms the presence of deep origin CO2 and precises its geographic distribution within the basin Argnat.Les caractéristiques hydrogéologiques de la Chaîne des Puys sont liées à ses particularités climatiques, géologiques, morphologiques et environnementales qui vont contraindre l'eau souterraine en terme d'origine, quantité, qualité et parcours dans les aquifères volcaniques. La composition chimique et isotopique de l'eau reflétant l'ensemble des processus intervenant lors du cycle de l'eau, ses variations au sein et entre les différents compartiments permettent donc de préciser le rôle de ces différents facteurs. C'est l'objet de cette thèse qui porte sur la caractérisation chimique (ions majeurs) et isotopique (δ18O, δ2H, δ13C) des différentes étapes du cycle de l'eau afin de définir le fonctionnement des aquifères sous-volcaniques de la Chaîne des Puys. Dans cette perspective, notre travail s'est articulé autour de deux thèmes : 1) la définition du signal d'entrée des aquifères régionaux, préalable indispensable à toute étude hydrogéologique, 2) l'étude du fonctionnement du bassin versant d'Argnat localisé au Nord de la Chaîne des Puys. L'étude des mécanismes d'acquisition de la chimie de la pluie (Na+, K+, Mg2+, NH4+, Ca2+, Cl-, NO3-, SO42- , PO43-, HCO3-) en fonction de son trajet longue distance (rainout), et de l'influence des paramètres météorologiques, environnementaux locaux sur le lessivage pendant la pluie (washout), montre que la majorité des pluies proviennent de l'Atlantique et du Bassin Méditerranéen et est essentiellement influencée par les éléments terrigènes (Ca2+, HCO3-) et anthropiques (NO3-,NH4+,SO42-), souvent associés (processus de neutralisation). L'influence locale sur la chimie est surtout liée aux éléments terrigènes provenant du bassin sédimentaire de la Limagne, mais l'humidité du sol, la direction et la vitesse du vent peuvent favoriser une recharge du nuage en éléments anthropiques originaires de l'agglomération de Clermont-Ferrand. L'évolution des paramètres chimiques (ions majeurs) et isotopiques (δ18O, δ2H, δ13C) entre les différents compartiments du bassin d'Argnat met en évidence le rôle de la zone non saturée dans l'alimentation de la zone saturée des aquifères volcaniques. Il apparaît ainsi que le schéma d'une alimentation verticale n'est pas simple et que le comportement de la zone non saturée se rapproche de celui d'un aquifère perché. Dans ce cas, l'existence d'un aquifère perché ne peut s'expliquer que par des circulations superposées à l'intérieur même de la coulée basaltique qui s'avère ainsi hétérogène du point de vue des caractéristiques physiques et donc de l'hydrodynamique. L'étude du transfert en zone saturée depuis l'amont vers l'aval, à partir de 10 points de prélèvements permet d'estimer, compte tenu du contexte géologique et de la topographie, la contribution relative des alimentations de haute et basse altitude. Ces venues de basse altitude modifient significativement la chimie de l'eau, notamment via des apports en éléments anthropiques tels que les chlorures et les nitrates. L'interprétation des mesures de δ13C associées aux calculs de pCO2 confirme la présence de CO2 d'origine profonde et précise sa répartition géographique dans le bassin d'Argnat